預(yù)裂爆破中節(jié)理走向角度對預(yù)裂縫貫通性的影響

劉際飛 璩世杰

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

預(yù)裂爆破中節(jié)理走向角度對預(yù)裂縫貫通性的影響

劉際飛 璩世杰

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

自然巖體往往是含有節(jié)理、裂隙、斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的不連續(xù)介質(zhì)，巖體的這種不連續(xù)性對預(yù)裂爆破時應(yīng)力波的傳播和預(yù)裂縫的形成都具有重要影響。為了研究節(jié)理走向角度對預(yù)裂縫貫通程度的影響，對一次預(yù)裂爆破所生成的預(yù)裂縫進(jìn)行分段爆破振動測試試驗，通過不同段的節(jié)理走向角度與降振率的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：炮孔間節(jié)理走向角度對預(yù)裂成縫的影響顯著，預(yù)裂爆破所在位置的節(jié)理走向角度越大，該位置上所產(chǎn)生預(yù)裂縫的降振率越高，表明預(yù)裂縫的貫通程度隨節(jié)理走向角度的增大而提高。觀察現(xiàn)場預(yù)裂爆破效果也發(fā)現(xiàn)：當(dāng)節(jié)理面走向角度接近90°時，預(yù)裂縫的貫通性與平整度最好，與理論分析基本一致。

預(yù)裂爆破 預(yù)裂縫 節(jié)理巖體 節(jié)理面走向角度 分段降振試驗

在露天礦山鄰近邊幫處，為避免應(yīng)力波直接傳播至邊坡巖體內(nèi)，危害邊坡的穩(wěn)定，甚至誘發(fā)滑坡等現(xiàn)象的出現(xiàn)，需要采取緩沖預(yù)裂爆破措施。預(yù)裂爆破所產(chǎn)生的預(yù)裂縫可以有效“屏蔽”主爆區(qū)炮孔產(chǎn)生的爆破振動效應(yīng)，改善了爆破開挖過程中地震波對邊幫的破壞影響[1]，從而保證巖體邊坡的穩(wěn)固平整。所以預(yù)裂爆破的成縫效果，預(yù)裂縫的平整度以及貫通性對工程質(zhì)量影響重大。

國內(nèi)外學(xué)者也就這一問題進(jìn)行了深入的研究，楊文敬等[2]對預(yù)裂爆破裝藥徑向不耦合系數(shù)進(jìn)行研究，得出在不同材質(zhì)下的不耦合系數(shù)最佳取值。戴兵等[3]通過數(shù)值模擬，對預(yù)裂爆破的孔間距、線裝藥密度、炮孔直徑參數(shù)進(jìn)行分析，推導(dǎo)出線裝藥密度公式。但這些研究把巖體作為均值連續(xù)的介質(zhì)來考慮，與實際情況有一定差異。近年來，巖體中節(jié)理在爆破中的作用越來越引起學(xué)者的關(guān)注，Zhu[4-5]對不同節(jié)理產(chǎn)狀、入射角、間距以及剛度等參數(shù)條件下，應(yīng)力波的傳播規(guī)律進(jìn)行了理論研究。謝冰[6]運用UDEC軟件從節(jié)理傾角、間距兩方面入手，對預(yù)裂成縫的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

雖然對預(yù)裂成縫的研究已有先例，但由于現(xiàn)場試驗條件的限制，基于預(yù)裂爆破中節(jié)理對預(yù)裂縫成縫影響的現(xiàn)場實驗研究較少。本研究首先通過對預(yù)裂爆破所在位置進(jìn)行節(jié)理統(tǒng)計，根據(jù)節(jié)理與炮孔連線夾角即走向面角度的區(qū)別對預(yù)裂縫進(jìn)行分段，其次對爆破后所產(chǎn)生的各段預(yù)裂縫進(jìn)行爆破振動測試試驗，采用試驗結(jié)果與節(jié)理統(tǒng)計結(jié)果對比分析的研究方法就節(jié)理面走向角對預(yù)裂縫貫通性的影響進(jìn)行研究。

1 節(jié)理面走向角度對預(yù)裂縫開裂影響的理論研究

預(yù)裂縫的形成是應(yīng)力波和爆生氣體共同作用的結(jié)果，由于采用了不耦合裝藥，炸藥爆炸時產(chǎn)生的氣體作用在孔壁上的壓力小于巖體的動態(tài)抗壓強(qiáng)度，不會在孔壁周圍產(chǎn)生壓碎區(qū)。

預(yù)裂孔內(nèi)的炸藥爆炸時產(chǎn)生的徑向壓縮應(yīng)力波在抵達(dá)相鄰炮孔孔壁處時產(chǎn)生的切向拉伸應(yīng)力集中，如圖1所示。切向拉伸應(yīng)力大于巖體的動態(tài)抗拉強(qiáng)度，促使炮孔連心線上孔壁巖體首先產(chǎn)生開裂，后繼炮轟氣體楔入裂紋后在裂紋尖端形成拉應(yīng)力集中，促使裂紋擴(kuò)展貫通，形成一定寬度的預(yù)裂縫。

圖1 預(yù)裂爆破孔間切向拉伸應(yīng)力分布及孔壁拉伸應(yīng)力集中示意圖

預(yù)裂爆破旨在2炮孔連線方向上產(chǎn)生1條貫穿的預(yù)裂縫，由于節(jié)理的存在必將影響爆炸應(yīng)力波的傳播，使2炮孔連線方向難以形成有效的拉應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致預(yù)裂縫的成縫效果不佳。影響成縫效果的因素很多，如節(jié)理的走向、傾向、節(jié)理厚度、節(jié)理填充強(qiáng)度、節(jié)理間距、節(jié)理抗拉強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角等都會對預(yù)裂縫的形成起著至關(guān)重要的作用。其中節(jié)理的幾何結(jié)構(gòu)特征對應(yīng)力波傳播的影響最大，即節(jié)理的幾何產(chǎn)狀對預(yù)裂成縫的影響起關(guān)鍵作用。若綜合考慮這些因素，理論分析難度較大，所以本研究僅對不同走向角的節(jié)理面對預(yù)裂縫成型的影響進(jìn)行研究。如圖2所示，2預(yù)裂炮孔連線與節(jié)理法向夾角為α，節(jié)理面上一點B與炮孔中心連線與節(jié)理面法向夾角為β，在B點取單元體進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖3所示，根據(jù)張奇[7]和謝冰[6]的研究可知，單元體的受力平衡條件由式(1)給出。

圖2 預(yù)裂孔與孔間節(jié)理裂隙關(guān)系示意圖

圖3 B點單元體應(yīng)力狀態(tài)

(1)

當(dāng)節(jié)理走向角與節(jié)理面上的應(yīng)力滿足式(2)時，巖體將沿炮孔連線方向產(chǎn)生光滑裂縫[8]。

(2)

式中，σt為巖體動態(tài)抗拉強(qiáng)度；φ為節(jié)理內(nèi)摩擦角；C為節(jié)理黏聚力。

當(dāng)節(jié)理面與炮孔連線夾角不滿足式(2)時，巖體將沿節(jié)理面方向開始破裂，開裂的節(jié)理面不再承受應(yīng)力波加載的拉應(yīng)力，從而使節(jié)理面上的應(yīng)力重新分布。如圖4所示，層狀節(jié)理與斷裂控制面相交，夾角為α+90°。

圖4 含層狀節(jié)理巖體開裂位置

在結(jié)構(gòu)面受拉破裂之前，節(jié)理面方向上的應(yīng)力狀態(tài)如式(1)所示，當(dāng)節(jié)理面產(chǎn)生破裂之后，受力狀態(tài)改變[9-10]。結(jié)合摩爾庫倫準(zhǔn)則可知，節(jié)理法向方向上發(fā)生剪切破裂的條件是[11]

(3)

式中，C′，φ′分別為巖石黏聚力的內(nèi)摩擦角。

由于tanα≥0，結(jié)合σt=C′/tanφ′可知，σθ≥σt，可知當(dāng)結(jié)構(gòu)面破裂后，節(jié)理法向方向剪切應(yīng)力超過巖石抗拉應(yīng)力，故會在節(jié)理法相方向附近形成裂縫。如圖4所示，在臺階預(yù)裂爆破中，隨α角度的增大，2炮孔于結(jié)構(gòu)面所產(chǎn)生的平行裂縫距離越近，當(dāng)α為90°時，2條裂縫與炮孔方向重合，更易形成完整預(yù)裂縫。故節(jié)理面與炮孔連線方向夾角越大預(yù)裂縫越容易貫通。

2 節(jié)理面走向角度對預(yù)裂縫開裂影響的試驗研究

對一次預(yù)裂爆破所產(chǎn)生預(yù)裂縫的降振率進(jìn)行分段測試，通過降振率的差異驗證各段預(yù)裂縫的貫通程度，并對比各段預(yù)裂縫所在位置的節(jié)理走向角度，以此驗證節(jié)理走向角對預(yù)裂縫貫通程度的影響。

2.1 節(jié)理走向角度統(tǒng)計

應(yīng)用臺階坡面照相法對預(yù)裂爆破所在邊坡進(jìn)行節(jié)理產(chǎn)狀統(tǒng)計，臺階坡面照相法即使用相機(jī)拍攝邊坡斷面獲取節(jié)理裂隙產(chǎn)狀原始材料，把每張照片中的邊坡圖像進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5所示，測量每條網(wǎng)格線實際長度，記錄與網(wǎng)格線相交的節(jié)理裂隙數(shù)量，并就各條節(jié)理裂隙的傾角、走向角以及間距等幾何因素進(jìn)行統(tǒng)計。

圖5 節(jié)理統(tǒng)計網(wǎng)格圖

由于坡面法統(tǒng)計的數(shù)據(jù)為各條節(jié)理的離散數(shù)據(jù)，為得到邊坡中優(yōu)勢節(jié)理的產(chǎn)狀，把所統(tǒng)計的節(jié)理數(shù)據(jù)輸入DIPS軟件，利用軟件統(tǒng)計邊坡中的優(yōu)勢節(jié)理組，如圖6所示。

圖6 赤平投影分析結(jié)果

由DIPS軟件分析生成各個優(yōu)勢節(jié)理組的走向角、傾角和節(jié)理條數(shù)，由式(4)可求得節(jié)理間距d[12]：

(4)

式中，λ1為剖面測線上的節(jié)理線密度；α為優(yōu)勢節(jié)理的傾角。

由軟件得出各圖像的優(yōu)勢節(jié)理組數(shù)據(jù)，根據(jù)節(jié)理組走向角角度的差異可把預(yù)裂縫分為4段，各段的節(jié)理幾何產(chǎn)狀具體數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 預(yù)裂爆破各段邊坡中優(yōu)勢節(jié)理組參數(shù)Table 1 The main set of joints parameters of each section side slope of the pre-splitting blasting

2.2 預(yù)裂爆破技術(shù)參數(shù)

礦區(qū)地層巖性主要為黑云變粒巖、砂巖、石英砂巖、白云巖、赤鐵礦，預(yù)裂爆破試驗位置礦巖條件主要為中風(fēng)化的砂巖，其物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 試驗位置巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock mass physical and mechanical parameters at the testing location

預(yù)裂爆破中預(yù)裂孔與緩沖孔布置如圖7所示，預(yù)裂孔為直線排列，具體參數(shù)與每孔裝藥量見表3、表4。

圖7 起爆網(wǎng)路示意

項 目施工工藝及參數(shù)孔徑/mm115孔網(wǎng)參數(shù)孔距1m,與前方緩沖孔距離2.5m炸藥單耗/(kg/m3)0.6炸藥種類32mm/200g膠乳管藥裝藥結(jié)構(gòu)竹板條綁膠乳藥管,孔底加強(qiáng)6卷/m,上部2卷/m起爆方法孔內(nèi)、孔外均采用雙股導(dǎo)爆索起爆炮孔傾斜/(°)75填塞長度/m2孔深/m15

緩沖孔共13個，孔內(nèi)采用5段傳爆導(dǎo)爆管雷管，孔外均采用1段傳爆導(dǎo)爆管雷管；預(yù)裂孔共計43個，預(yù)裂孔內(nèi)外均采用雙股導(dǎo)爆索起爆。

緩沖孔參數(shù)見表5，裝藥結(jié)構(gòu)為混合裝藥，裝藥長度7 m。依孔內(nèi)水深確定裝藥結(jié)構(gòu)，當(dāng)孔內(nèi)水深時，7 m內(nèi)全部為乳化炸藥；當(dāng)孔內(nèi)水淺時，下部裝乳化炸藥，上部裝銨油炸藥；干孔時，7 m內(nèi)全部為銨油炸藥，如圖8所示。

銨油和乳化混合裝藥的緩沖孔，沿藥柱底端至頂端方向上，分3段分別設(shè)置起爆藥包；僅裝有銨油炸藥的緩沖孔，只在藥柱頂端設(shè)置起爆藥包。如圖8，起爆藥包由導(dǎo)爆管雷管與乳化藥卷組成，孔內(nèi)延時為5段傳爆導(dǎo)爆管，孔外延時為1段傳爆導(dǎo)爆管。

表4 預(yù)裂孔各孔裝藥量及孔深Table 4 The explosive load and depth of each pre-splitting holes

表5 緩沖孔各項參數(shù)Table 5 The parameters of cushion holes

2.3 預(yù)裂縫降振試驗分析

預(yù)裂爆破形成的預(yù)裂縫，可以起到降低主爆區(qū)爆破震動對邊坡巖體的震動破壞的作用。為了更準(zhǔn)確的檢驗預(yù)裂縫的貫通性，以降振率的大小對預(yù)裂縫貫通性進(jìn)行量化描述。測試降振率的方法是： 在預(yù)裂爆破作業(yè)之后，實測在礦山中爆破作業(yè)所產(chǎn)生的爆破震動數(shù)據(jù)，對比預(yù)裂縫兩側(cè)的測震數(shù)據(jù)，即可確定預(yù)裂爆破的降震效果和預(yù)裂縫的質(zhì)量。

圖8 緩沖孔裝藥結(jié)構(gòu)示意

如圖9所示，分別在4個不同分段預(yù)裂縫前后設(shè)置1#、2#振動測試儀，由于震動測試儀數(shù)量有限，故每次只能測試一個分段的預(yù)裂縫降振率，對每個分段進(jìn)行2次測試，測試結(jié)果見表6。

圖9 預(yù)裂爆破形成預(yù)裂縫的爆破震動測試試驗布置

測試位置儀器序號炸 藥總消耗/t最大段藥 量/kg距離/m合成振速/(cm/s)ξ/%各分段降振率/%第一分段1#測試12#第一分段1#測試22#第二分段1#測試12#第二分段1#測試22#第三分段1#測試12#第三分段1#測試22#第四分段1#測試12#第四分段1#測試22#12.596501059.53.24909255.6490789.55.64901137.78.334901329.77.465301259.56.553089511.265011231.160.650.760.471.320.910.950.720.120.070.240.160.750.681.761.544438.231.124.241.733.49.912.541.127.6537.511.2

將測震儀的傳感器分別布置在預(yù)裂縫的兩側(cè)，爆破作業(yè)后，提取傳感器記錄的質(zhì)點震動速度，然后根據(jù)結(jié)果計算降震率的大小[13]：

(5)

式中，ξ為降震率；V1為預(yù)裂縫前質(zhì)點振動速度的最大值，cm/s；V2為預(yù)裂縫后質(zhì)點振動速度的最大值，cm/s。

分別對預(yù)裂縫4個不同分段位置進(jìn)行2次爆破震動測試，通過式(5)求出各段平均降振率值匯總于表6。在預(yù)裂邊坡節(jié)理統(tǒng)計中，各分段位置節(jié)理傾角與間距差異不大，只有走向角度變化較明顯，故試驗中只考慮表1中走向角度的變化，結(jié)合表6中所計算的降振率繪制出圖10。

圖10 節(jié)理面走向角度與預(yù)裂縫降振率關(guān)系

由圖10可知，降振率隨節(jié)理面走向角角度的增大而增大，這是由于巖石更容易在垂直節(jié)理方向產(chǎn)生裂縫[6]，節(jié)理走向角度越大巖石開裂方向越趨于炮孔連線方向，形成的預(yù)裂縫更加平整，且更易貫通，故應(yīng)力波通過預(yù)裂縫的降振率變大。實驗結(jié)果表明節(jié)理面走向角度越大，預(yù)裂縫的貫通性越好，此結(jié)論與前述理論研究結(jié)果相同。

3 結(jié) 論

(1)預(yù)裂爆破生成的連續(xù)裂縫可具有良好的降振作用。對預(yù)裂爆破生成預(yù)裂縫的降振率進(jìn)行分段測試的結(jié)果表明：各段預(yù)裂縫使巖體中的爆破振動均有一定程度的下降，其中節(jié)理面走向角度接近90°時的預(yù)裂縫降振率約為44%。

(2)巖體中節(jié)理的存在對預(yù)裂爆破效果有顯著影響。當(dāng)2炮孔之間存在節(jié)理時，預(yù)裂縫由炮孔向外延伸接近節(jié)理時，裂縫沿垂直節(jié)理方向開裂，隨即與破壞的節(jié)理破碎帶連通，形成鋸齒形的預(yù)裂縫。

(3)對一條預(yù)裂縫的不同分段進(jìn)行降振試驗，結(jié)果表明：預(yù)裂縫的貫通程度與節(jié)理面走向角度有關(guān)。隨著節(jié)理面走向角度的增大，巖石開裂方向越趨于炮孔連線，所形成的預(yù)裂縫更加平整，預(yù)裂縫的貫通性更好。當(dāng)走向角度為90°時，預(yù)裂成縫效果最好，無鋸齒現(xiàn)象產(chǎn)生，預(yù)裂面為一平整貫穿裂縫。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Effect of Angle of Joint Strike on the Pre-cracking Penetrating during Pre-splitting Blasting

Liu Jifei Qu Shijie

(SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

Natural rock mass usually contains discontinuous medium in geological structural planes such as joints，fissuring，faults etc.The discontinuity of rock mass has both important influences on the spread of stress wave and the formation of pre-cracking during the pre-splitting blasting.In order to investigate the effect of angle of joints strike on the cut-through degree of the pre-crackings，the segmented blasting vibration tests for the pre-crackings generated are made during once pre-splitting blasting.It has been found through the angle of joints strike and the decreasing vibration rate of different sections that the angle of joints strike between blast holes has a significant influence on pre-cracking；the bigger the angle of joints strike in the location of the pre-splitting blasting，the higher the decreasing vibration rate of the generated pre-cracking at that location.The cut through degree is increased as the angle of joints strike increases.Through observing the effect of pre-splitting blasting on site，it is clear that when the angle of strike of joints plan gets close to 90°，the pre-cracking will have a best penetrating and flatness，which is almost consistent with the theoretical analysis.

Pre-splitting blasting，Pre-cracking，Jointed rock mass，Joint surface angle of strike，Segmented decreasing vibration test

2013-12-22

劉際飛(1985—)，男，博士研究生。

P618.11，TE112

A

1001-1250(2014)-04-006-06